Сотрудники Международного томографического центра СО РАН показали возможность осуществлять высокочувствительную молекулярную магнитно-резонансную томографию на основе регистрации сигнала ЯМР-молекул с естественным содержанием изотопа 15N. Технология, которая в перспективе позволит диагностировать заболевания на самых ранних стадиях, входит в число важнейших достижений Российской академии наук за 2019 год.
«Современная МРТ способна получать морфологическое изображение очень хорошего качества и высокого разрешения, устанавливать различные патологии, в том числе опухолевые образования, изучать течение жидкости — крови, лимфы. По большому счету всё это построено на сигнале атомов водорода молекул воды. Однако, на самом деле, можно делать гораздо больше. Я сейчас говорю о том, что называется молекулярной и клеточной томографией. Здесь уже сигнала воды недостаточно, и нужно пытаться регистрировать сигналы других молекул. Прежде всего, метаболитов — веществ, которые находятся в постоянном биохимическом превращении. Эти процессы изучать очень важно, потому что их изменения сопровождают практически все патологии в теле человека. Если вы сможете увидеть неполадки в метаболизме до того, как разовьется серьезное нарушение, это позволит на очень ранней стадии диагностировать начало заболевания (опухоли различных органов и тканей, проблемы с сердцем и так далее)», — рассказывает руководитель научного направления МТЦ СО РАН доктор химических наук Игорь Валентинович Коптюг.
По словам ученого, молекулярная и клеточная томография направлена не на то, чтобы рассмотреть, что происходит с отдельной молекулой или клеткой, а изучает их в комплексе. «Если патология развивается всего в одной клетке, скорее всего, организм справится и сам благодаря своим механизмам репарации. Молекулярная и клеточная томография — это попытка исследовать такие процессы в большом количестве клеток, но на клеточном и молекулярном уровне», — говорит Игорь Коптюг. Перед учеными стоит задача взять молекулу, которая является естественным метаболитом, ввести в организм и в зависимости от того, что с ней происходит, сказать, какая именно патология развивается в этом органе или ткани.
«Проводником» в молекулярную и клеточную томографию могут стать атомы азота. Они содержатся во многих биологических молекулах (от простых до самых сложных: аминокислот, белков, ДНК, РНК). Основной изотоп азота, природное содержание которого близко к 100 %, — 14N, однако он не подходит для приложений ядерного магнитного резонанса. На помощь приходит другой изотоп — 15N, в его ядре находится дополнительный нейтрон. Но и здесь есть проблема: природное содержание этого изотопа очень низкое. Допустим, если взять 250 молекул с атомом азота, то лишь одна из них будет содержать 15N, остальные — 14N. Даже если синтетически обогащать молекулы изотопом 15N, получаемый сигнал выходит слишком маленьким. Это происходит из-за того, что ядерные спины очень слабо взаимодействуют с магнитными полями. Чем слабее это взаимодействие, тем меньше сигнала можно получить от ядра. «Медицинская томография хорошо работает на атомах водорода. Но как только мы пытаемся уйти к другим атомам, концентрация которых гораздо меньше, сигнал становится практически ненаблюдаемым», — отмечает исследователь.
Ученые всего мира пытаются преодолеть эту проблему. Так, определенные перспективы демонстрирует соединение пируват — соль пировиноградной кислоты. При развитии патологии (особенно онкологической) этот метаболит начинает активно превращаться в молочную кислоту, что можно зафиксировать, например, с помощью МРТ по ядрам изотопа 13С. Технология уже доведена до стадии клинических испытаний. Однако здесь также существует проблема слабости сигнала, для усиления которого требуется дорогое оборудование и большие расходы на его эксплуатацию.
«Мы развиваем альтернативный метод, представляющий собой химическую реакцию с использованием молекулярного водорода, а точнее, его разновидности — параводорода. Было показано, что он позволяет увеличить сигнал 15N в 30 000 раз и более и при этом дешевле метода с пируватом примерно на два порядка», — говорит Игорь Коптюг. Результаты работы опубликованы в журнале Chemistry — A European Journal.
За счет чего достигается такое усиление? У ядра есть так называемый ядерный спин — собственный момент импульса элементарных частиц, имеющий квантовую природу и не связанный с движением частицы как целого. Когда ядро помещают во внешнее магнитное поле, спин взаимодействует с этим полем и ориентируется относительно него — по полю или против. Сигнал ЯМР возможен исключительно тогда, когда число одних ориентаций спинов больше, чем других, поскольку два спина, направленные в противоположные стороны, скрывают друг друга от ЯМР. Из-за этого ученые могут видеть в образце лишь один спин из 20—50 тысяч. Перед исследователями стояла задача развернуть все спины в одном направлении, чтобы усилить сигнал в десятки (а в будущем, возможно, и сотни) тысяч раз.
Томография позволит на ранней стадии диагностировать серьезные заболевания
Осуществить такой разворот позволяет параводород. Он представляет собой молекулу водорода, у которой спины ядер определенным образом ориентированы друг относительно друга. Вступая в контакт с атомом металла катализатора, параводород провоцирует так называемую спиновую динамику, приводящую к тому, что большинство спинов выстраивается в одном направлении. Источником 15N выступил далфампридин — препарат, уже использующийся в медицинской практике для устранения симптомов рассеянного склероза.
Реакция, создающая поляризацию спинов, производится заранее. В результате нее получается вещество с поляризованным атомом азота. После нескольких дополнительных проверок его можно вводить в организм. Однако и здесь есть свои подводные камни. «После этой реакции в растворе остаются различные лишние вещества, в том числе комплекс металла, который является для организма ядом. Прежде чем переходить к медицинским применениям технологии, нужно найти способы, как от него избавиться. Кроме того, сейчас наиболее эффективно такие реакции проводятся в метаноле — это вещество вводить пациентам тоже нельзя. Нужно либо убрать метанол, либо (что гораздо предпочтительнее) научиться проводить такие реакции в водной среде. Принципиально это возможно», — рассказывает Игорь Коптюг.
Есть еще одна проблема: время жизни однонаправленного состояния спинов очень короткое. После всех шагов по очистке и контролю качества для введения препарата в организм остается в лучшем случае несколько минут. Нужно оптимизировать все процессы таким образом, чтобы они проходили максимально быстро. Отдельные исследования ведутся для того, чтобы попытаться продлить во времени ориентированное состояние спинов. «В ЯМР довольно долго считалось, что всё определяет время релаксации спинов и преодолеть это ограничение нельзя. Но потом оказалось, это не так: если у вас есть больше чем один спин, между ними возможны некоторые состояния, которые живут гораздо дольше (и пионеры ЯМР, похоже, об это знали). Пока даже сложно сказать, где здесь предел. У параводорода особое спиновое состояние в специальных условиях может существовать дни и даже месяцы, хотя время релаксации для этой молекулы очень короткое, буквально доли секунды. Конструируя специальные молекулы с правильным сочетанием ядер, можно очень заметно увеличить время жизни неравновесных поляризованных состояний. Использование 15N — один из подходов, позволяющих это временное окно расширить», — говорит Игорь Коптюг.
Ученые подчеркивают, что исследование находится на стадии становления и развития, и говорить о внедрении в клиническую практику пока еще очень рано. Тем не менее параллельно с экспериментами по удалению из продуктов реакции комплексов металлов и метанола, увеличению времени жизни поляризации планируется начать опыты на культурах клеток и на животных. Исследования МРТ на основе 15N проводятся совместно со специалистами из Университета Уэйна (США).
Диана Хомякова
Фото: предоставлено Игорем Коптюгом (1), из открытых источников (анонс, 2)
